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INVESTIGA I+D+i 2015/2016
GUÍA ESPECÍFICA DE TRABAJO SOBRE “VEHICULO ELECTRICO O
VEHICULO A HIDROGENO. UNA DECISION ESTRATEGICA”
Texto de D. Enrique Soria Lascorz
Octubre de 2015
Introducción
El transporte por carretera, es uno de los sectores más dependientes
de los combustibles fósiles y en el que con más dificultad se está
encontrando una alternativa sostenible que reduzca la dependencia
del exterior (en el caso europeo y en el español necesitamos importar
el petróleo para el transporte) y las emisiones de gases de efecto
invernadero.
Otros sectores como por ejemplo el sector eléctrico, han iniciado
aunque con cierta timidez, el camino para una menor dependencia de
los combustibles fósiles, y han encontrado una solución para ello, las
energías renovables.
Por ejemplo en el caso español más del 40 % de la electricidad
proviene de las energías renovables, fundamentalmente la energía
eólica y la energía hidroeléctrica y con una presencia cada vez mayor
de la energía solar fotovoltaica y de la energía solar termoeléctrica.
Los vehículos eléctricos pueden incorporar al sector del transporte
estos valores de contribución de las energías renovables.
La única opción a gran escala para reducir la dependencia de los
combustibles fósiles en el transporte, ha sido hasta ahora la
incorporación de los biocombustibles.
La introducción de los biocombustibles en el sector del transporte por
carretera, se realiza directamente en los vehículos ya disponibles en
el mercado a través de los surtidores ya existentes que ofrecen
directamente biocombustibles mezclados con la gasolina (bioetanol) o
con el diésel (biodiesel). La ventaja principal del uso de C del
exterior, la reducción de emisiones de efecto invernadero.
El trasporte eléctrico, es en la actualidad la posibilidad más
prometedora para transformar el sistema actual en otro que sea
ambientalmente sostenible. En algunas situaciones especiales como
por ejemplo en el caso de la movilidad en las ciudades es la única
solución para solucionar el problema adicional acarreado por la
contaminación en las ciudades que ya ha llegado a ser alarmante en
algunos casos. El vehículo eléctrico no genera ningún tipo de
emisiones durante su utilización en modo solo eléctrico, y reduce
considerablemente los niveles de ruido ambiente.
Junto a estas razones de carácter medioambiental existen otros
motivos por los que el transporte eléctrico llegará a ser una realidad
imparable, por un lado los sistemas de propulsión eléctrica son
mucho más eficientes que los sistemas tradicionales de motores de
combustión interna. Los rendimientos de los motores eléctricos son
mucho más elevados, un motor de combustión interna apenas tiene
un rendimiento del 20 %. Los desarrollos modernos requieren
incorporar sistemas de mayor eficiencia energética ante una situación
de recursos cada vez más caros y escasos.
Vehículo eléctrico
Existen fundamentalmente dos tecnologías para su uso en vehículos
eléctricos, por un lado se encuentran los vehículos eléctricos dotados
de baterías y por otro lado los vehículos de hidrógeno.
El hidrógeno como vector energético en el transporte tiene dos
posibles aplicaciones, por un lado las pilas de combustible y por otro
los motores de combustión interna preparados para funcionar con
hidrogeno en lugar de un combustible tradicional ( en este caso la
contribución de la energía eléctrica se encontraría solamente en la
fase de producción del hidrogeno), En lo sucesivo , nos referiremos
como coches de hidrogeno a aquellos que se encuentran dotados de
una pila de combustible, dejando para un futuro posterior abordar el
otro tipo de vehículos de hidrogeno.
A continuación se detallarán en este apartado, algunas de las
particularidades de cada una de estas tecnologías.
Vehículos eléctricos dotados de baterías
Se consideran dentro de este apartado , aquellos vehículos en los que
la propulsión procede total o parcialmente de la electricidad de las
baterías, que sustituyen o complementan al depósito de combustible,
utilizando para la recarga de las baterías un sistema externo como
por ejemplo la red eléctrica.
Actualmente existen tres tecnologías distintas para los vehículos
eléctricos
que pueden conectarse a la red eléctrica (vehículos
enchufables) tanto en el mercado español como en el mercado
mundial.
Eléctrico puro
En primer lugar el vehículo eléctrico puro (denominado como BEV
Battery Electric Vehicle por sus siglas en inglés).
Es un vehículo
totalmente propulsado
por un motor eléctrico
alimentado por baterías que se recargan a través de una toma de
corriente conectada a la red eléctrica. Su autonomía está limitada por
la capacidad de su batería. La tecnología actual permite un rango
entre 130 km – 300 km.
La recarga de las baterías, se lleva a cabo, exclusivamente, a partir
de la red eléctrica, aunque disponen de sistemas de recuperación de
la energía de frenada en el propio vehículo.
Eléctrico de autonomía extendida
En segundo lugar el vehículo eléctrico de autonomía extendida
(EREV, Extended Range Electric Vehicle).
Vehículo eléctrico que además incorpora un pequeño motor térmico
que acciona un generador para recargar las baterías. La propulsión es
exclusivamente eléctrica, pero la recarga del motor eléctrico se
realiza gracias al sistema auxiliar de combustión. Con esta
configuración es posible extender la autonomía de los vehículos,
hasta niveles similares a los que emplean combustibles tradicionales.
Ofrece aproximadamente unos 80 km de autonomía en modo
eléctrico.
Vehículo híbrido enchufable
En tercer lugar el vehículo híbrido enchufable (PHEV, Plug In Hybrid
Vehicle por sus siglas en inglés).
Este Vehículo combina la propulsión eléctrica a partir de la energía
obtenida de la red, con la propulsión suministrada por un motor de
gasolina o gasóleo convencional cuando las baterías eléctricas se han
descargado. La autonomía eléctrica es mayor que en los híbridos
convencionales (no enchufables), y también suele incorporar un
sistema de recuperación de la energía de la frenada.
La batería
La batería es el componente determinante en este tipo de vehículos
eléctricos, en la batería tiene lugar una reacción química reversible en
la que se produce una corriente eléctrica que es capaz de alimentar
un motor eléctrico. En sentido contrario al aplicar una corriente
eléctrica a la batería los iones y electrones vuelven a su situación
original.
Existen tres tipos de baterías, que se emplean en los vehículos
eléctricos, las baterías de Plomo-Ácido, las baterías de Metal-Níquel y
las baterías de Ion-Litio.
Las baterías de Plomo-Ácido son la opción de bajo coste, y que se
han utilizado durante décadas como sistema de arranque de los
motores de combustión. Su ventaja fundamental es el bajo coste,
aunque solo pueden almacenar del orden de unos 40 Wh/kg, una
densidad energética muy pobre en comparación con otros sistemas
de almacenamiento.
Las baterías de Níquel-Metal han sido el siguiente paso en los
vehículos eléctricos, tienen más de 10 años de experiencia sobre todo
en su incorporación en vehículos híbridos. Su potencia específica es
superior a las anteriores (60 Wh/Kg), tienen un ciclo de vida largo ,
su ciclo de vida largo y no presentan problemas medioambientales
tan graves como las batería de Plomo
Las baterías de Ion-Litio, de las que existen muchas variedades en el
mercado, son las que van a experimentar un mayor desarrollo para
su aplicación en la industria del automóvil. Una de las características
más importantes junto con la vida útil y el número de ciclos de carga
y descarga es la densidad de potencia que puede llegar a valores
superiores a los 120 Wh/Kg. El desarrollo de este tipo de baterías, ha
dado un impulso prácticamente imparable a los vehículos eléctricos.
Sistemas de recarga
Existen varias posibilidades para recargar un vehículo eléctrico:
Recarga conductiva (por medio de cables de conexión), que es la
más habitual y desarrollada, y que se realiza conectando el vehículo a
una toma de corriente por medio de un cable, ya sea en un enchufe
doméstico o a través de un punto de carga.
El tipo de carga convencional es el denominado de carga lenta, que
suele tener una duración de unas ocho horas y que emplea la
intensidad y el voltaje del mismo nivel que tiene la propia vivienda.
Esta solución es la más adecuada para recargar el vehículo durante la
noche en un garaje de una vivienda.
Existe además un sistema de carga semi-rapida que emplea niveles
más elevados de tensión y de voltaje ( por ejemplo niveles del orden
de 32 amperios de intensidad) que no son posibles en sistemas
domésticos sin instalar unos equipos de alimentación y control
adecuados. Con este sistema el proceso de carga puede tener una
duración de unas cuatro horas.
Finalmente el tipo hay un tercer modo de recarga, que es la recarga
rápida que supone unos 15 minutos de duración y mediante el cual se
puede llegar a cargar hasta el 65 % de la carga total de la batería.
La carga rápida emplea una mayor intensidad eléctrica, entrega la
energía en corriente continua, esta solución desde el punto de vista
del conductor , es la más parecida a los sistemas actuales de llenado
de combustibles en una estación de servicio.
Para este tipo de carga rápida es necesario acudir a uno de los puntos
de recarga.
Recarga por reemplazo de baterías, que consiste en la sustitución de
la batería del vehículo eléctrico por otra batería cargada al 100%, en
una operación de pocos minutos. Actualmente hay modelos como el
Tesla S que han sido diseñados para poder realizar un recambio de
baterías, pero quizás, donde esta opción se presenta como más
factible es en el sector de las dos ruedas (motocicletas y bicicletas),
donde existen vehículos con batería extraíble.
Recarga inductiva o recarga inalámbrica por inducción magnética, es
uno de los más prometedores mercados para la alimentación de
vehículos eléctricos dadas sus ventajas sobre otros sistemas que
exigen la conexión mediante cable.
Mediante el empleo de tecnología de inducción, el usuario únicamente
tiene que colocar su vehículo, dotado de un elemento receptor en los
bajos, sobre una plataforma de carga que está en el suelo. Cuando el
sistema detecta que tiene el coche encima, se conectan de forma
inalámbrica y comienza la transferencia de energía y el proceso de
carga. Termina cuando la recarga se ha producido, cuando se
interrumpe manualmente o cuando el vehículo de aleja del punto de
carga. Este sistema, permitiría por ejemplo la recarga del vehículo al
parar en un semáforo o simplemente pasando por encima de placas
que se encuentran empotradas en el asfalto.
En España existen empresas tecnológicas que han desarrollado
sistemas eficientes de
carga de vehículos
eléctricos
por
inducción, por ejemplo
el indicado en la figura
desarrollado por el
centro
de
investigación CIRCE.
(Figura 1. Sistema de
carga para vehículos
eléctricos
por
inducción. Fundación
CIRCE)
En la actualidad el parque de vehículos eléctricos español se sitúa
alrededor de las 10.000 unidades. Los puntos de recarga en
funcionamiento se estiman en 200.
La estrategia actual desarrollada por la administración para el
impulso de vehículos con energías alternativas permitiría alcanzar un
parque total de aproximadamente unos 150.000 vehículos eléctricos
en el año 2020.
En cuanto a la infraestructura de puntos de recarga de acceso al
público de vehículos eléctricos, serían necesarios según la Directiva
en el año 2020 aproximadamente 1.200 puntos de recarga en el
ámbito urbano.
Vehículos de Hidrógeno
El otro tipo de vehículos de propulsión eléctrica, son los vehículos
eléctricos de pila de combustible, generalmente denominados coches
de hidrógeno, uno de los motivos fundamentales de estos coches de
hidrogeno, es la mayor autonomía y la mayor velocidad de recarga,
En este caso los conductores prácticamente no tendrían que cambiar
los hábitos adquiridos en el uso de los coches convencionales.
Un vehículo de hidrogeno con pila de combustible, podría
considerarse como un vehículo eléctrico de autonomía extendida, en
este sentido cuenta con los mismos componentes de un vehículo
eléctrico y cuenta además dos componentes adicionales: la pila de
combustible y los depósitos de almacenamiento de hidrogeno. En los
apartados siguientes se describirán estos dos componentes
específicos. (Figura 2. Esquema de un vehículo de hidrógeno)
Pilas de Combustible
Las pilas de combustible o celdas de combustible son unos
dispositivos electroquímicos, capaces de convertir directamente la
energía química contenida en un combustible en energía eléctrica.
Esta transformación electroquímica (sin combustión) no está limitada
por los rendimientos de los procesos de combustión lo que permite
conseguir rendimientos relativamente altos (en la práctica en el
entorno del 40 o 50%, aunque en teoría podrían ser bastante
superiores). Se presentan como unos dispositivos con enorme
potencial de aplicación.
Fundamentalmente una pila de combustible es una agrupación de
celdas o células individuales con conexiones internas en serie. Estas
celdas están formadas por dos electrodos (polo positivo y polo
negativo) donde se producen respectivamente la oxidación del
hidrógeno y la reducción del oxígeno, y por un electrolito (que puede
ser un medio tanto ácido como básico) que permite el intercambio de
los iones que generan ambas reacciones.
Una pila de combustible es una especie de batería de alta tecnología
que convierte la energía química del combustible que la alimenta en
energía eléctrica. Hay una gran diferencia con las baterías, una
batería almacena en su interior la energía química que convierte en
electricidad; cuando se termina esa energía química, la batería se
cambia por otra o bien se recarga conectándola a la red eléctrica tal
como se ha descrito en el apartado anterior.
La pila de combustible, en cambio, convierte en electricidad la
energía química de un combustible que recibe del exterior y es capaz
de suministrar energía eléctrica de forma continua mientras se
mantenga el aporte de este combustible.
Uno de los reactivos de la pila es siempre el oxígeno, que procede del
aire y que por tanto no es necesario almacenar. El combustible
propiamente dicho es normalmente el hidrógeno, que puede ser
suministrado de forma directa y que mantendrá la producción de
electricidad mientras haya hidrogeno en el depósito.
En uno de los tipos más conocidos y sencillos de pila de combustible,
el electrolito es una membrana, que permite el intercambio de
protones entre cátodo y ánodo pero no el paso de electrones que se
mueven a través de un circuito externo proporcionando la corriente
eléctrica. En resumen mezclando el hidrogeno procedente del
depósito del vehículo y el oxígeno del aire, se genera electricidad y
vapor de agua que sale por el tubo de escape.
En la figura 3 se representa una pila de combustible de las
incorporadas al automóvil.
Generación y almacenamiento de Hidrógeno
El hidrogeno es uno de los elementos más abundantes en la
naturaleza, pero no se encuentra en estado libre, desde el siglo
pasado se conoce como obtener hidrogeno mediante la electrolisis del
agua, este proceso además de limpio, produce hidrogeno de elevada
pureza.
La electrólisis requiere un aporte considerable de electricidad. Una de
las maneras de garantizar la sostenibilidad del proceso de obtención
del hidrogeno, es emplear las energías renovables para la producción
de esa electricidad.
El almacenamiento de hidrogeno para su uso en los sistemas de
automoción, presenta algunas restricciones en cuanto a peso y
tamaño, existiendo algunos límites para que los vehículos de
hidrogeno, tengan una autonomía equivalente a los vehículos
convencionales.
El hidrogeno, es un gas combustible, altamente inflamable, no es
toxico, sin color sabor ni olor característico, la seguridad es uno de
los criterios más importantes a la hora de definir un sistema de
almacenamiento.
Existen diferentes formas de almacenar de hidrógeno:
 En forma de gas a presión
 En forma líquida (almacenamiento criogénico a temperaturas
muy bajas)
 En forma de compuestos estables (hidruros metálicos)
 En forma de otros compuestos químicos
 En microesferas de vidrio.
De todas estas maneras, actualmente solo las tres primeras tienen la
suficiente madurez para ser empleadas actualmente en el sector del
transporte.
Almacenamiento de gas a presión
Es la forma de almacenamiento más difundida y que cuenta con
mayor experiencia. En los centros de producción de H2, el gas se
comprime a una presión muy elevada (200 atmósferas) y se envasa
en botellas u otros recipientes. Estas botellas. Con el fin de disminuir
el peso de estos sistemas, se emplean materiales compuestos como
por ejemplo la fibra de vidrio y la fibra de carbono.
El tanque de hidrogeno es uno de los componentes mas caros de todo
el conjunto, debe soportar unas presiones muy elevadas y debe ser
muy hermético para evitar las fugas de hidrogeno. El hidrogeno es el
gas mas volátil.
En la figura que se presenta a continuación se puede ver un depósito
de almacenaminto de hidrógeno en forma de gas a presión.
Figura 4. Tanque de almacenamiento de hidrogeno de un vehiculo
Toyota .
Almacenamiento en forma de hidrógeno líquido
Es un sistema que se emplea fundamentalmente en automoción y en
las aplicaciones espaciales. Requiere mantener recipientes a
temperaturas muy bajas, por ejemplo, la temperatura de ebullición
del hidrogeno a la presión de una atmosfera, es de -252 ºC. Esto
quiere decir que para poder almacenar hidrógeno líquido a presión
atmosférica hemos de mantener estas bajas temperaturas.
Aquí radica el principal inconveniente de almacenar y manipular el
gas licuado en estas condiciones.
Almacenamiento en forma de hidruros metálicos
Ya a finales de los años 60, diversos laboratorios y centros de
investigación comenzaron a trabajar en ciertos compuestos metálicos
que presentaban la propiedad de combinarse con el hidrógeno en una
reacción os reversible.
A partir de estos trabajos se comprobó que las reacciones químicas
de los procesos de formación y descomposición de numerosos
hidruros metálicos son lo suficientemente rápidas como para
considerar su uso en sistemas de almacenamiento de hidrógeno
En la figura número 5, puede apreciarse el sistema de carga de
hidrogeno en una “hidrogenera”.
En la figura 6, se aprecia un detalle del sistema de carga de
hidrogeno.
Actualmente, el parque de vehículos tanto a nivel europeo como a
nivel español es muy escaso, se han desarrollado varios proyectos de
demostración en ciudades como Madrid y Barcelona con Autobuses
propulsados por pila de combustible.
Se estima que, a nivel europeo, la penetración del vehículo eléctrico
de pila de combustible se situará en un 3% en 2025, y podría llegar
hasta un mínimo del 5 % de la totalidad del parque automovilista en
el año 2015.
En la actualidad España presenta un nivel inferior al resto de Europa
en cuanto a implantación de coches de Hidrogeno y el nivel de
infraestructuras, aunque en el aspecto
de las capacidades en
investigación y desarrollo de las tecnologías del hidrogeno y pilas de
combustible, cuenta con centros importantes.
España posee cuatro hidrogeneras en operación: dos en Aragón
(Zaragoza y Huesca), una en Albacete y una en Sevilla. A lo largo del
año 2015 se abrirán dos nuevas estaciones en Puertollano y en
Sevilla, completando así un total de seis hidrogeneras operativas.
Potenciales temas de debate
¿Se han usado en otras épocas vehículos eléctricos?
A finales de la década de los 90, surgieron en los Estados Unidos
varios modelos de automóviles eléctricos con prestaciones
equiparables a los modelos de gasolina.
¿Cuáles son las diferencias y las similitudes entre las dos tecnologías
de vehículos eléctricos con baterías y vehículos eléctricos con pila de
combustible?
Se pretende con esta reflexión profundizar en las dos tecnologías y
abordar aspectos como la autonomía, seguridad, facilidad de recarga,
prestaciones , que ventajas e inconvenientes presenta cada una de
las tecnologías, etc.
¿Qué oferta comercial existe actualmente para cada una de las
tecnologías mencionadas?
Ahora mismo es posible encontrar ofertas comerciales de coches
eléctricos a precios asequibles (contando con las ayudas que
proporcionan las distintas administraciones públicas), con esta
cuestión se pretende obtener una idea del grado de desarrollo actual
de cada una de las tecnologías de los vehículos eléctricos.
El desarrollo de las baterías. El caso de la batería y el coche TESLA.
El coche eléctrico ha impulsado de una manera espectacular el
desarrollo de las baterías. Hay ya una nueva generación de baterías
(ion – litio etc...) para el transporte, las telecomunicaciones y el uso
doméstico como sistema de almacenamiento de la electricidad. El
fabricante de automóviles TESLA anuncia nuevos modelos de baterías
eléctricas para almacenar energía en las casas.
La producción y el suministro de hidrogeno frente a la red de los
puntos de carga para vehículos eléctricos
Los sistemas y la facilidad de la recarga de los vehículos eléctricos y
los vehículos de hidrogeno, van a ser uno de los aspecto
determinantes para definir el éxito de estas tecnologías, con este
epígrafe, se pretende orientar la búsqueda de información en
aspectos como las electrolineras, los puntos de recarga de vehículos
eléctricos , las hidrogeneras, etc..
Otras aplicaciones de los vehículos eléctricos distintas al transporte
terrestre.
Con este apartado se pretende orientar la búsqueda de información
en aspectos como la aplicación de las tecnologías de vehículos
eléctricos y de hidrogeno al sector del transporte aéreo, donde el
peso y la autonomía son un factor esencial o la aplicación de estas
tecnologías en el transporte marítimo.
Fuentes de información
Recursos disponibles relacionados con el tema en la base de datos en
INVESTIGA
I+D+i
correspondiente a anteriores ediciones
(http://www.programainvestiga.org )
-
Combustibles para el futuro. Presentación y Guía (Edición 20112012).
El almacenamiento de Energía. Presentación (Edición 20102011).
El uso y la generación de Hidrógeno. Presentación (Edición
2010-2011).
AEDIVE Asociación empresarial para el desarrollo e impulso del
vehículo eléctrico. http://aedive.es/
Guía del vehículo eléctrico:
http://www.fenercom.com/pdf/publicaciones/Guia-del-VehiculoElectrico-II-fenercom-2015.pdf
AEH2 Asociación Española del Hidrógeno
http://www.aeh2.org/index.php?option=com_content&view=article&i
d=167
IDAE Vehículos y tecnologías alternativas
http://coches.idae.es/portal/CombustiblesAlternativos/CombustiblesA
lternativos.aspx
Páginas web de las compañías eléctricas y otros agentes del sector
eléctrico,( la mayoría de las grandes compañías eléctricas asi como el
operador del sistema, han desarrollado actividades para la promoción
de vehículo eléctrico y los sistemas de recarga, en particular se puede
encontrar información en las páginas de ENDESA y RED ELECTRICA
DE ESPAÑA)
Páginas Web de los fabricantes de automóviles ( sin pretender ser
exclusivo al menos los siguientes fabricantes han desarrollado
modelos de vehículos eléctricos tanto de baterías como de pilas de
combustible : RENAULT, NISSAN, BMW, PSA PEUGEOT CITROEN,
TOYOTA, HONDA,TESLA etc..